Электронная библиотека диссертаций и авторефератов России
dslib.net
Библиотека диссертаций
Навигация
Каталог диссертаций России
Англоязычные диссертации
Диссертации бесплатно
Предстоящие защиты
Рецензии на автореферат
Отчисления авторам
Мой кабинет
Заказы: забрать, оплатить
Мой личный счет
Мой профиль
Мой авторский профиль
Подписки на рассылки



расширенный поиск

Прогноз сдвижений и деформаций при сооружении тоннелей в дисперсных грунтах методом микротоннелирования Журавлев Алексей Евгеньевич

Прогноз сдвижений и деформаций при сооружении тоннелей в дисперсных грунтах методом микротоннелирования
<
Прогноз сдвижений и деформаций при сооружении тоннелей в дисперсных грунтах методом микротоннелирования Прогноз сдвижений и деформаций при сооружении тоннелей в дисперсных грунтах методом микротоннелирования Прогноз сдвижений и деформаций при сооружении тоннелей в дисперсных грунтах методом микротоннелирования Прогноз сдвижений и деформаций при сооружении тоннелей в дисперсных грунтах методом микротоннелирования Прогноз сдвижений и деформаций при сооружении тоннелей в дисперсных грунтах методом микротоннелирования Прогноз сдвижений и деформаций при сооружении тоннелей в дисперсных грунтах методом микротоннелирования Прогноз сдвижений и деформаций при сооружении тоннелей в дисперсных грунтах методом микротоннелирования Прогноз сдвижений и деформаций при сооружении тоннелей в дисперсных грунтах методом микротоннелирования Прогноз сдвижений и деформаций при сооружении тоннелей в дисперсных грунтах методом микротоннелирования Прогноз сдвижений и деформаций при сооружении тоннелей в дисперсных грунтах методом микротоннелирования Прогноз сдвижений и деформаций при сооружении тоннелей в дисперсных грунтах методом микротоннелирования Прогноз сдвижений и деформаций при сооружении тоннелей в дисперсных грунтах методом микротоннелирования Прогноз сдвижений и деформаций при сооружении тоннелей в дисперсных грунтах методом микротоннелирования Прогноз сдвижений и деформаций при сооружении тоннелей в дисперсных грунтах методом микротоннелирования Прогноз сдвижений и деформаций при сооружении тоннелей в дисперсных грунтах методом микротоннелирования
>

Диссертация - 480 руб., доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Автореферат - бесплатно, доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Журавлев Алексей Евгеньевич. Прогноз сдвижений и деформаций при сооружении тоннелей в дисперсных грунтах методом микротоннелирования: диссертация ... кандидата технических наук: 25.00.16 / Журавлев Алексей Евгеньевич;[Место защиты: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный минерально-сырьевой университет "Горный""], 2015.- 92 с.

Содержание к диссертации

Введение

1 Общие сведения о деформациях 14

2 Исследование деформаций

2.1 Состояние вопроса 23

2.2 Определение параметров перехода между деформациями, полученными на различных интервалах между реперами наблюдательной станции 25

2.3 Связь кривизны и горизонтальных деформаций 32

2.4 Определение оптимального интервала между реперами профильной линии наблюдательной станции 35

2.5 Выводы по главе 38

3 Прогнозирование деформаций 40

3.1 Состояние вопроса 41

3.2 Общий подход к прогнозированию деформаций 44

3.3 Прогнозирование деформаций в устойчивых грунтах 47

3.4 Прогнозирование деформаций в неустойчивых грунтах 51

3.5 Выводы по главе 57

4 Наблюдения за деформациями 59

4.1 Исследование формы мульды деформаций 60

4.2 Исследование влияния интервала между реперами на результаты определения деформаций з

4.3 Определение граничных углов и углов сдвижения 67

4.4 Пример обработки архивной информации для оценки оседаний при сооружении микротоннелей в неустойчивых грунтах 70

4.5 Выводы по главе 72

Заключение 73

Список литературы

Определение параметров перехода между деформациями, полученными на различных интервалах между реперами наблюдательной станции

На сегодняшний день существующие нормы предписывают сравнивать полученные в результате натурных наблюдений значения деформаций со справочными граничными и критическими значениями [8], [23], [26], [45], [49], [50], [53], [55], [56], [57], [60]. При этом граничные и критические значения деформаций приводятся для интервалов реперов 15-20 м. Очевидно, что не всегда возможно заложить подобный интервал, если рассматривать микротоннелирование в городских условиях. Кроме того, микротоннели проходятся на сравнительно не больших глубинах, до 30 м. В этом случае при граничном угле в четвертичных отложениях 45 в требуемый интервал попадает всего 3-5 реперов, что не позволяет получить всю полноту информации о форме и размерах мульды сдвижений.

На практике для наблюдений за деформациями в городских условиях целесообразно закладывать интервалы любой длины: чем меньше интервал - тем больше информации мы получаем о форме мульды. При этом, деформации, определенные на небольших интервалах, например, 2-5 м некорректно сравнивать с нормативными значениями для интервалов 15-20 м. Подобного рода сравнения приводят к неверной оценке рисков, с которыми строительные работы воздействуют на прилегающие здания и сооружения, а потому неправильно планируются мероприятия уменьшения воздействия на существующую застройку, а также не полностью реализуется потенциал подземного пространства.

На момент написания настоящей работы автором не были найдены материалы, обобщающие правила перехода от деформаций при одном интервале к деформациям при другом интервале. Ранее появлялись отдельные статьи на эту тему, например, В. Н. Новокшенов [47], В. Н. Гусев [15], [16], [18], но они относились к исследованию деформаций при разработке месторождений полезных ископаемых. Также в рамках данного исследования были опубликованы статьи В. Н. Гусева и А. Е. Журавлева [13], [14], [18], [19], которые были посвящены частным случаям распространения отдельных видов деформаций и не освещали закономерностей перехода в полном объеме.

Кроме этого, недостаточно исследован вопрос взаимосвязи точности определения деформаций и интервала между реперами: из известных автору публикаций имеется только статья самого автора [24], изданная в рамках настоящей работы и рассматривающая вопросы точности, относящиеся лишь к деформациям кривизны. 2.2 Определение параметров перехода между деформациями, полученными на различных интервалах между реперами наблюдательной станции

В процессе наблюдений за деформациями мы имеем дело с сырыми данными в виде горизонтальных и вертикальных смещений реперов наблюдательной станции. В результате обработки этих смещений становятся известны остальные параметры деформаций, основные из которых - кривизна, наклоны и горизонтальные деформации. Впоследствии полученные значения сравниваются с допустимыми, а также с ранее исследованными под влиянием подобных условий деформациями.

В то же время необходимо принимать во внимание, что числовые значения деформаций непосредственно зависят от интервала между реперами в профильной линии (рисунок 9). Из рисунка видно, что угол АОВ, характеризующий кривизну, уменьшается с увеличением длин отрезков АО и ВО.

Поэтому очевидно, что сравнение и сопоставление деформаций следует производить только при условии равенства соответствующих интервалов реперов в профильных линиях наблюдательных станций. Для осуществления такого перехода следует использовать коэффициенты (уравнения), с помощью которых можно перейти от деформаций, полученных на одном интервале, к деформациям другого интервала. Что, в конечном счете, позволяет корректно производить сравнительный анализ уровней достигнутых деформаций на различных участках геомеханического мониторинга, решать вопросы безопасной подработки зданий и сооружений через сравнение максимальных деформаций, полученных либо из натурных наблюдений, либо прогнозным способом, с допустимыми деформациями, которые также привязаны к определённому интервалу их получения.

Ниже приводится теоретическая взаимосвязь между деформациями, полученными на различных интервалах.

Полученные формулы (14) - (16) выражают функциональную зависимость деформаций от длины интервала между реперами в профильной линии в произвольной точке поперечного сечения мульды. С их помощью рекомендуется переходить между значениями деформаций, полученными при различных интервалах между реперами, что особенно важно при камеральной обработке архивной информации - данных, накопленных за многолетние наблюдения.

На практике в городских условиях зачастую невозможно выдерживать требуемые инструкциями интервалы между реперами 15-20 м. Кроме этого, архивная информация зачастую содержит сведения о деформациях, полученные при разных интервалах. В подобных случаях для приведения деформаций в соответствие, их последующего сравнения и анализа также предлагается применять формулы (14)-(16).

Определение оптимального интервала между реперами профильной линии наблюдательной станции

В неустойчивых обводненных грунтах движение щита происходит в текучей среде, и физический зазор между обделкой и грунтом Gp отсутствует. По той же причине не подлежат учету и случайные отклонения со и поэтому способ определения деформаций отличается от способа, рассмотренного в предыдущем подразделе для устойчивых грунтов. Кроме того, прогнозирование оседаний поверхности должно проводиться с использованием статистических данных о количестве потерянного грунта при сооружении тоннелей в аналогичных условиях. Эти данные следует получать путем анализа содержимого текстовых файлов с полной информацией о работе проходческого комплекса, которые записываются на жесткий диск щитового компьютера.

В слабом грунте щит не пробуривает отверстие, куда затем проталкивается тоннель, а поступательно вдавливается в грунт, раздвигая и одновременно выбирая его. В этих условиях на размеры мульды оседаний оказывает влияние объем потерянного грунта, который можно контролировать путем учета количества поданной в забой чистой воды и выдаваемой на поверхность водогрунтовой смеси (рисунок 22).

Отводящаяся из забоя водо грунтовая смесь состоит из: «чистой» воды, подаваемой в забой проектного объема отработанного грунта, который равен объему тоннеля потерянного грунта (объем которого превышает объем тоннеля) потерянной грунтовой воды. Подача чистой воды через питающую магистраль Забор воды с грунтом через транспортную магистраль Рисунок 22 - Щит и его гидротранспортная система

Основными факторами, определяющими величину оседаний поверхности, являются потерянный грунт и потерянная грунтовая вода. В призабойной камере находится датчик давления воды, с помощью которого оператор контролирует уровень грунтовых вод и поддерживает его естественное значение путем регулировки мощности транспортных и питающих насосов. Поэтому при соблюдении технологического процесса принимаем Aw = 0 . Тогда:

Таким образом, количество потерянного грунта при проходке в слабых грунтах равно количеству выданной водогрунтовой смеси за исключением поданной в забой чистой воды и объема тоннеля, занявшего выработанное пространство за рассматриваемый промежуток времени.

Проходческий щит оснащен датчиками расхода на питающей и транспортной магистралях, поэтому значения Atr и Af известны и записываются в память компьютера через определенные промежутки времени. Объем тоннеля, продвинувшегося поступательно в единицу времени At, Ttd1 выражается через площадь поперечного сечения тоннеля , умноженную на скорость движения тоннеля v. Эта скорость также регистрируется специальным датчиком и записывается в память компьютера. Поэтому можно записать: Ai=AA-—v (66) где АА - разница между количеством воды в транспортной и питающей магистралях, AA = Atr-Af. С другой стороны, количество потерянного грунта в единицу времени из формулы (4) для единичного объема мульды деформаций имеет вид: A,=v-j2xpxT]0 (67) Из формул (66) и (67) находим величину максимальных оседаний над тоннелем: АА ли2 Отсюда понятно, что величина максимальных оседаний непосредственно зависит от технологических параметров работы комплекса, в данном случае это разница расходов воды в питающей и транспортной магистралях АА, а также скорость движения щита v.

При соблюдении данного неравенства щит будет «передавливать» грунт, и при небольших отклонениях АА избыточное давление будет распространяться в массиве, не вызывая поднятия поверхности. Оператору проходческой машины рекомендуется поддерживать значение АА в соответствии с выражением (69) для исключения оседаний поверхности на проходке. График функции (69) для различных типов щитов представлен на рисунке 23. 50 о чи о о 30

Рассмотрим более детально особенности параметра «скорость проходки», v. Тоннель приводится в движение рамой продавливания, которая развивает давление Р (рисунок 24). Рисунок 24 - Рама продавливания

Это давление уравновешивается силой трения о грунт (которая зависит от длины и глубины тоннеля и свойств грунта) и силой сопротивления забоя. В свою очередь, сила сопротивления забоя напрямую зависит от разности расходов в транспортной и питающей магистралях АА. Таблица 1 иллюстрирует эту зависимость (для наглядности количество «чистой» воды, Af, не меняется).

Расход втрансп.магистр.,К Расход в питающ. магистр.,Af Разность расходов,АА Сопротив ление забоя Скорость, V увеличивав тся const увеличивав тся уменьшает ся увеличивается до тех пор, пока сопротивление забоя не вырастетнастолько, что снова станетуравновешивать давление рамыпродавливания Р уменьшает ся const уменьшает ся увеличивав тся уменьшается о тех пор, пока сопротивление забоя неуменьшится настолько, что давление рамы продавливания Р снова станет его уравновешивать Из таблицы понятно, что разность расходов АА и скорость проходки v -взаимозависимые параметры. На характер этой зависимости влияют свойства грунтов и параметры проходческого комплекса. Поэтому можно записать:

Поэтому можно заключить, что при проходке микротоннелей в неустойчивых грунтах деформации поверхности имеют функциональную зависимость от грунтовых условий, глубины и диаметра тоннеля, а также от скорости проходки и от режима работы гидротранспортной системы комплекса. от работы оператора и также от грунтовых условий. Для выявления характера зависимости этого отношения от грунтовых условий следует провести обработку архивных файлов, где содержатся значения разности расходов и скорости проходки, сопоставив их фактическим свойствам грунтов, приведенным в отчетах о геологических изысканиях для последующего использования этого сопоставления в качестве справочной информации. И далее, уже в стадии проектирования, на основе имеющихся сведений о свойствах грунтов определять

Прогнозирование деформаций в неустойчивых грунтах

Из выражений (39) - (40) следует, что с увеличением интервала точность определения деформаций на этом интервале повышается. Однако нужно учитывать, что с уменьшением количества наблюдаемых точек уменьшается достоверность определения деформаций. Для достижения компромисса следует избегать больших значений / и выразить длину интервала через средние квадратические погрешности в виде неравенства:

Для перехода от кривизны к горизонтальным деформациям рекомендуется использовать связывающий коэффициент, вычисляемый по формуле: с = — = B2z0. Этот коэффициент зависит от грунтовых условий и глубины тоннеля. 5. В процессе проектирования наблюдательной станции для определения оптимального интервала между реперами, исходя из заданной точности измерений сг , точности определения деформаций МіКє, а также учитывая, что с увеличением длины интервала достоверность определения деформаций уменьшается, предлагается использовать формулы:

В настоящем разделе детально разбираются механизмы происхождения и распространения деформаций при сооружении микротоннелей в устойчивых и неустойчивых грунтах. Исследуется зависимость деформаций от грунтовых условий, глубины и диаметра тоннелей, геометрических параметров проходческих щитов. Даются рекомендации по повышению эффективности прогнозирования деформаций с использованием полученных уравнений. 3.1 Состояние вопроса

Технология микротоннелирования появилась в России около 15 лет назад и с тех пор является основной в строительстве тоннелей небольших диаметров различного назначения. В общепринятом понимании микротоннелирование - это метод сооружения тоннеля, основанный на технологии продавливания труб, в котором управление проходческой машиной осуществляется удаленно, с поверхности земли. Диаметр микротоннелей обычно не превышает 2,5 м, но в мире известны случаи, когда диаметр составляет 3 м и более. На рисунке 17 изображен классический пример сооружения микротоннеля из специальной камеры.

Тоннелепроходческие комплексы проектируются таким образом, чтобы диаметр выработанного пространства превышал диаметр обделки тоннеля. В технологии продавливания труб подобный подход способствует уменьшению трения между поверхностью трубы и грунтом: образующийся зазор заполняется бентонитом и в плотных грунтах позволяет свести к минимуму влияние грунтовых условий на усилие продавливания. Трубный став движется в бентоните, и усилие продавливания мало зависит от трения о грунт. Однако в нестабильных, слабых грунтах зазор между трубой и грунтом отсутствует. При поступательном движении щита грунт обволакивает режущий орган, обжимая сам щит и трубы.

За последние годы в России (в основном, в Москве и Санкт-Петербурге) накопилось немало примеров успешного и экономически оправданного применения технологии микротоннелирования, в то время как негативные примеры практически отсутствуют. Однако традиционно в нормативном обеспечении строительства сохраняется некоторое отставание, и существующие нормы и правила не полностью учитывают весь широчайший спектр возможностей современного оборудования.

Одной из проблем современного тоннелестроения является изучение методов прогнозирования деформаций, возникающих под влиянием проходки. Своевременный и точный расчет последствий строительных работ является гарантией сохранности близлежащих сооружений. В то же время, меры по предупреждению и уменьшению деформаций позволяют прокладывать тоннели максимально близко к существующим объектам, что значительно расширяет возможности освоения подземного пространства города.

Еще в 1969 году Р. Б. Пек [80] сформулировал основные причины возникновения деформаций вследствие строительства тоннелей. Проведя исследования, он сделал вывод, что, как правило, деформации зависят от следующих причин:

Для применения в микротоннелировании автору представляется наиболее подходящей методика, предложенная К. М. Ли [75]. Однако, решение вопросов учета потерь грунта вследствие его перебора в забое при гидротранспортной системе транспортировки, связанные напрямую с режимом работы комплекса, автором на сегодняшний день не обнаружено. Кроме этого, в имеющейся нормативной документации отсутствуют рекомендации, касающиеся работы операторов микротоннельных комплексов с целью уменьшения оседаний поверхности земли и обеспечения сохранности существующих сооружений. И сегодня оператор полагается лишь на собственный опыт, принимая те или иные решения об управлении проходческой машиной в целях обеспечения безосадочной проходки.

В настоящей главе автором выявляются основные факторы, влияющие на деформации. Устанавливается взаимосвязь между режимом работы гидротранспортной системы комплекса и оседаниями поверхности земли. Попутно исследуется отношение максимальных оседаний поверхности к величине вертикальных смещений над сводом тоннеля, а также выявляется зависимость оседаний поверхности от диаметров щитов. Также автор показывает, что деформации поверхности напрямую зависят от режима работы комплекса, и приводит рекомендации по повышению объективности прогнозирования деформаций с помощью полученных уравнений путем обработки накопленной архивной информации о движении щита.

Пример обработки архивной информации для оценки оседаний при сооружении микротоннелей в неустойчивых грунтах

Методологической и теоретической основой диссертационного исследования послужили труды зарубежных и отечественных ученых в области изучения проблем деформаций грунтового массива и поверхности земли при сооружении тоннелей различного назначения. В процессе исследования были использованы следующие методы: методы натурных исследований процесса сдвижения горных пород (закладка наблюдательной станции в горных выработках и на земной поверхности, производство наблюдений по реперам профильных линий), а также метод идеализации, метод формализации, метод наблюдения, метод сравнения, метод аналогии, метод абстрагирования, метод индукции, метод дедукции и метод математической статистики.

Положения, выносимые на защиту 1. Сравнение, сопоставление и переход от одного вида деформаций к другому рекомендуется проводить только с учетом длин интервалов их получения, используя для этого специальные формулы перехода. 2. Оптимальный интервал между реперами в наблюдательной станции следует определять, исходя из заданной точности определения деформаций и точности измерений смещений реперов. 3. При проходке микротоннелей в дисперсных грунтах на деформации поверхности земли оказывает влияние технологические параметры работы проходческого комплекса. Поэтому наблюдения за деформациями и их прогнозирование рекомендуется выполнять с использованием имеющихся показаний датчиков проходческого комплекса с информацией о движении и работе щита.

Степень достоверности и апробация результатов Примеры практического применения положений настоящей работы содержатся в разделе 4, где приведены результаты обработки и анализа наблюдений при сооружении компанией ООО «СТИС» микротоннелей в Санкт-Петербурге. Так, на основе фактических данных, установлено совпадение формы мульды деформаций с ее описанием, используемым в разделе 1; установлена зависимость длины интервала получения деформаций от точности их определения, подробно описанная в разделе 2; определены граничные углы и углы сдвижения с использованием положений раздела 2; приведены результаты обработки архивных данных о работе проходческого комплекса на основе методики, предложенной в разделе 3.

Основные положения и результаты исследований были опубликованы в виде статей в сборнике научных трудов «Методы прикладной математики в транспортных системах», 2002г. [18], в журналах «Маркшейдерский вестник» за 2013-2014г. [13], [14], [19], [24], изложены на XV международном маркшейдерском конгрессе в Аахене, Германия, 2013г., а также на Всероссийской маркшейдерской конференции, проводимой Союзом маркшейдеров России, 2014г.

Личный вклад автора - проведение, обработка и анализ натурных наблюдений деформаций при сооружении микротоннелей; - обоснование функциональных зависимостей значений деформаций от длины интервала между реперами в профильных линиях наблюдательных станций; - обоснование функциональных зависимостей длины интервала между реперами в профильных линиях от заданной точности определения деформаций; обоснование функциональной зависимости величин деформаций поверхности земли от технологических параметров работы комплекса; - разработка методики определения граничных углов по данным натурных наблюдений с применением формул перехода между деформациями при различных интервалах. Публикации. Основное содержание работы отражено в 5 печатных работах, из них 4 - в журналах, включенных в перечень ведущих рецензируемых научных изданий, определяемый ВАК Министерства образования и науки РФ.

Объем и структура работы. Диссертация изложена на 92 страницах машинописного текста, содержит 4 главы, введение, заключение, библиографический список из 86 наименований. В работе 31 рисунок и 6 таблиц. Основное содержание работы В Разделе 1 приводятся общеизвестные принципы и механизмы распространения деформаций, а также существующие подходы к исследованию деформаций, на которых построено настоящее исследование.

Показаны геометрические схемы распространения деформаций в устойчивых и неустойчивых грунтах; факторы, влияющие на форму и размеры мульды оседаний; параметры, с помощью которых принято описывать величину и характер сдвижений и деформаций. Также приводится классическая методика оценки смещений точек на поверхности земли; описывается ряд случаев, которые не рассматриваются в настоящей работе. Анализируется типовой график мульды оседаний с указанием характерных точек в поперечном сечении мульды.

В Разделе 2 на основе положений раздела 1 предлагается математическое описание закономерностей распространения деформаций, а также зависимости величин деформаций от интервалов между реперами. Кроме этого, выводятся формулы перехода между значениями деформаций, определенными на различных интервалах, выявляется зависимость горизонтальных деформаций от кривизны и рассматривается уравнение перехода между этими видами деформаций. Также устанавливается взаимосвязь точности определения деформаций и длины интервала, даются рекомендации по расчету значений интервалов при проектировании наблюдательной станции с целью достижения заданной точности определения деформаций.

В Разделе 3 разбираются механизмы происхождения и распространения деформаций при сооружении микротоннелей в устойчивых и неустойчивых грунтах. Исследуется зависимость деформаций от грунтовых условий, глубины и диаметра тоннелей, геометрических параметров проходческих щитов. Выявляются основные факторы, определяющие величину максимальных оседаний. Выводится формула для отношения максимальных оседаний поверхности при использовании щитов Herrenknecht различных диаметров.

Рассматриваются особенности проходки тоннелей в неустойчивых грунтах, анализируются причины появления деформаций, а также даются рекомендации по повышению объективности прогнозирования деформаций с помощью полученных уравнений путем обработки накопленной архивной информации о работе проходческого комплекса.

В Разделе 4 с целью сопоставления практических измерений теоретическим изысканиям приводятся результаты камеральной обработки проведенных в рамках настоящего исследования наблюдений за деформациями поверхности земли во время сооружения трех микротоннелей в составе Главной водопроводной станции Санкт-Петербурга. Анализируются результаты наблюдений за деформациями на предмет соответствия двум моделям распространения деформаций: модели Муллера и Пека на основе распределения Гаусса и модели Подакова на основе фактических данных, обработанных ВНИМИ.

С применением предложенных функций перехода между деформациями и зависимости деформаций от длин интервалов предлагается методика определения граничных углов и углов сдвижения, где учитывается необходимость перехода между значениями деформаций на различных интервалах. Также приводится пример обработки архивных данных щитового компьютера на основе предложенных формул раздела 2.